傾斜安裝火炮反天頂攻擊目標技術研究*

徐國亮，王勇，王海川

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港　222061)

?

傾斜安裝火炮反天頂攻擊目標技術研究*

徐國亮，王勇，王海川

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222061)

摘要：針對天頂攻擊或高角俯沖反艦導彈等目標的威脅，分析了近防艦炮武器系統在作用范圍、伺服性能、跟蹤誤差等方面存在的問題。提出了采用基座傾斜安裝火炮對付天頂攻擊目標的技術措施，在目標高角情況下可大幅降低對跟蹤伺服系統的要求、搖擺誤差對跟蹤誤差的影響。給出的傾斜安裝火炮坐標變換及采用瞄準線坐標系求解天頂攻擊目標運動參數方法，可為艦艇近程防御系統反天頂攻擊或高角俯沖目標提供技術參考。

關鍵詞：高速；天頂攻擊；反艦導彈

0引言

反艦導彈在現代海戰中扮演著重要的角色。隨著軍事科學技術的進步，各國/地區裝備的第1代亞聲速反艦導彈逐步讓位于射程更遠、速度更快的新一代反艦導彈。同時為了提高反艦導彈的打擊能力，新一代反艦導彈通常采用高空巡航與末端大角度或天頂俯沖攻擊相結合模式。

近程反導艦炮武器系統作為艦艇反導防御的最后屏障，具有戰斗持續時間長、反應時間短、發射率高、效費比大、適裝性強等特點，可以有效地防御突襲反艦導彈，彌補了近程防空導彈及其他軟硬防空武器的不足，成為近程防御中不可缺少的一員。

基于以上原因，本文分析了國內現役近程防御艦炮武器系統在防御俯沖攻擊目標存在的不足，給出了傾斜安裝火炮系統對俯沖目標的優勢，力求為艦艇近程防御系統反天頂攻擊或高角俯沖目標提供技術參考。

1需求分析

1.1反艦導彈發展現狀

海戰中，反艦導彈一直是水面艦艇的主要威脅。當今世界經過實戰檢驗的反艦導彈還是以“亞聲速低空掠海+末端機動”突防為主的攻擊模式。如美國的“捕鯨叉”、法國的“飛魚”等，如表1[1]所示。

(1) 低空掠海

對傳感器火控雷達來說，需要克服低角多路徑效應的影響(影響系統反應時間、跟蹤及其精度)。

(2) 末端機動

規避艦艇近程防御武器攔截(嚴重影響近程防空導彈、小口徑速射艦炮系統等精度)。

1.2反艦導彈的高空突防+末端俯沖攻擊

隨著新型戰艦防御能力的提高，老式反艦導彈將更加難以穿過現代艦艇的警戒防御圈。進入20世紀90年代，反艦導彈升級換代的速度明顯加快，各國研制的新一代反艦導彈都朝著高聲速、高機動的方向發展，以獲得前所未有的打擊優勢[2]。

導彈采用不同的彈道攻擊目標時，其射程是不同的。采用高空飛行，射程能增長近一倍。因此超聲速反艦導彈通常進行中、高空飛行，末端大角度或天頂俯沖攻擊[3]，如圖1所示。

圖1　高空突防+末端俯沖攻擊彈道Fig.1　High altitude penetration and end　　　dive attack trajectory

據報道，某俄式導彈能以70°高角從40 000 m高空以4Ma高速進行俯沖攻擊。因此，天頂攻擊目標(zenith target)已成為近防系統必須面臨和對抗的威脅。

1.3其他威脅

聯合直接攻擊彈藥(joint direct attack munition,JDAM)[4-5]：用常規炸彈升級而來，利用GPS引導自動尋的炸彈，能從24 km高空投下精確落在目標上。

由此可見，天頂攻擊或高角俯沖目標愈來愈成為艦船面臨的主要威脅，由于該類目標的攻擊角度較高，而高角跟蹤是現役艦炮武器系統的跟蹤盲區，從而防御系統無法實現對該類目標有效攔截，本文主要就艦炮武器系統反天頂攻擊目標存在的問題及解決的措施進行討論。

表1　各國/地區發展的主要反艦導彈

2反天頂攻擊目標存在問題分析

現役防御武器系統的跟蹤傳感器大都采用兩軸跟蹤結構，這種結構本身的缺陷導致了天頂盲區，對天頂攻擊目標無法穩定跟蹤。另一方面，天線指向角度過高，也會放大跟蹤器的方位瞄準誤差，導致系統無法跟蹤。

2.1系統作用范圍

“天頂攻擊目標”正處于“密集陣”、“守門員”、“海拉姆”等西方國家海軍普遍裝備的近防武器系統的盲區[6-8]，如表2為國外近防武器系統俯仰角作用范圍。

表2　國外近防武器系統俯仰作用范圍

2.2跟蹤伺服速度特性分析

反天頂攻擊目標不是簡單一個角度范圍的問題，其中涉及到武器系統本身的跟蹤、瞄準角(加)速度及其誤差等問題。

針對典型目標的速度、捷徑等目標運動態勢進行分析，令常數A=v/S0，其中v，S0分別為目標速度和航路捷徑，捷徑點的方向角為0°，則目標方向角、角速度和角加速度分別為[9]

(1)

目標方向角及其變化曲線如圖2所示。

圖2　目標方向角及其變化曲線Fig.2　Target direction angle and its change curve

當目標過天頂時，航路捷徑S0很小，即航路常數A很大，根據圖2可知，當目標高速靠近時，跟蹤目標所需的角(加)速度迅速增大，如果系統(傳感器和武器)跟蹤能力無法滿足跟蹤目標所需角(加)速度的要求，則會造成目標跟蹤精度嚴重下降或目標丟失。

2.3跟蹤伺服精度特性分析

在目標不同俯仰角情況下，目標瞄準誤差、搖擺誤差對目標跟蹤伺服精度影響不同，尤其是在目標高角時影響較為明顯。

2.3.1瞄準誤差影響分析

如圖3為跟蹤指向器瞄準線坐標系Oaxayaza，其中Δq，Δε為舷角和俯仰角瞄準偏差角。于是甲板坐標系下目標坐標(xd,yd,zd)及指向角(qd,εd)為

式中：

qa，εa為目標舷角和俯仰角。

圖3　瞄準線坐標系與瞄準偏差角Fig.3　Coordinate system of line of sight and　　　 aiming deviation angle

令傳感器舷角為qa=0，則有

sinqd≈sin Δq/cosεd.

因此在目標不同俯仰角情況下，甲板坐標系目標舷角跟蹤誤差與跟蹤傳感器舷角瞄準誤差的關系為

(2)

式中：σqd為甲板坐標系目標舷角跟蹤誤差；σΔq為跟蹤傳感器舷角瞄準誤差。

2.3.2搖擺誤差影響分析

以最簡單的靜止目標為例，設定我艦不動，目標舷角q=0，俯仰角為ε。假設縱搖角為0，橫搖角有一個幅度為σθ的噪聲波動Δθ。于是由艦艇搖擺變換可得，甲板坐標系下目標舷角和俯仰角為

即

tanqd≈-sin Δθtanεd.

因此，在目標不同俯仰角情況下，甲板坐標系目標舷角跟蹤誤差與搖擺誤差的關系為

(3)

由式(2)，(3)可知，不論是瞄準誤差還是搖擺誤差，隨著目標俯仰角的增大，在甲板坐標系舷角跟蹤誤差急劇放大，如圖4所示。

圖4　隨俯仰角不同瞄準誤差和搖擺誤差的放大倍數Fig.4　Amplification with the elevation of different　　　pointing errors and swing errors

由分析可知，對于高速、高角俯沖目標的跟蹤，要求近防武器系統的跟蹤伺服系統具有高帶寬、高精度性能，使得系統難以對該類目標進行有效跟蹤和攔截。

3反天頂攻擊目標技術分析

為了對付天頂攻擊目標，有的國外近防系統采用火炮基座傾斜安裝方式，如圖5所示。本文以“海天頂”(sea zenith)近防炮[10]為研究對象，分析其反天頂攻擊目標時系統的相關處理方法及主要技術特性分析。

圖5　基座傾斜安裝的“海天頂”火炮Fig.5　slant-mounted “sea zenith” gun

3.1火炮安裝基座傾斜時數據變換處理

如圖6，甲板坐標系Oxdydzd固聯于艦艇。Oyd軸平行艏艉線(艦艏為正)，Oxd軸與Oyd軸垂直且平行于甲板面(右舷為正)，Ozd軸與軸Oxd，Oyd構成右手直角坐標系。火炮傾斜坐標系Oxlylzl固聯于火炮安裝基面。Oyl平行安裝基面指向最大傾斜角抬起方向，Oxl軸與Oyl軸垂直且平行于安裝基面(右側為正)，Ozl軸與軸Oxl，Oyl構成右手直角坐標系。

設火炮安裝基座平面Oxlyl與甲板平面Oxdyd的夾角為αl(“海天頂”火炮基座傾斜角αl=35°)，且夾角方向對應的舷角為ql，即Oyq和Oyl的夾角為αl，Oyq和Oyd的舷角為ql。

從甲板坐標系到火炮傾斜坐標系變換為

式中：

3.2傾斜安裝火炮伺服系統特性

分析傾斜安裝后對火炮伺服的影響。如圖7所示給出了在不同俯仰角下傾斜安裝火炮與目標舷角變化曲線。由圖可知當目標俯仰角小時，艦炮舷角變化率與目標舷角變化率相當。當目標俯仰角大于55°時，艦炮舷角變化率大大低于目標舷角變化率，即對艦炮跟蹤角速度要求大幅降低。

下面分析傾斜安裝后火炮伺服的俯仰角范圍。假設火炮指向最低角度-20°(實際傾斜火炮俯仰角為-55°)，計算在不同舷角對應甲板舷角和俯仰角，如圖8所示。當火炮舷角90°時，對應甲板俯仰角約為-42°。

據此傾斜安裝火炮在理論上可覆蓋上半球空域。如火炮傾斜安裝在甲板艦艏，火炮俯仰角在艦艏可低至-20°，而左右舷可低至-42°。

3.3傾斜安裝時搖擺誤差對舷角誤差影響

公式(3)表明，目標俯仰角的變大，會放大搖擺誤差，造成舷角跟蹤誤差急劇放大。這里，以縱橫搖誤差均值0，均方差1 mrad為例，仿真不同目標俯仰角情況下，基座傾斜安裝時搖擺誤差對舷角誤差的影響，如圖9所示。

圖9　是否傾斜安裝火炮舷角誤差比較Fig.9　Side angle error comparison of slant-mounted　　　　 gun with level-mounted gun

可以看出：

(1) 火炮未傾斜安裝時低俯仰角(如50°以下)情況下，舷角誤差與搖擺誤差相當或略大于搖擺誤差，但高俯仰角情況下，誤差迅速增大；

(2) 在負俯仰角情況下，傾斜安裝火炮的舷角誤差略大，但都小于搖擺誤差；

(3) 由于火炮基座傾斜安裝降低了火炮伺服的俯仰角，因此在目標高角情況下舷角誤差受搖擺影響不大。

3.4天頂攻擊目標運動參數解算

相比低空掠海來襲目標，天頂攻擊目標在俯仰或高度方向變化劇烈。為求解這類目標運動參數，通常需專門針對俯仰角或高度方向建立運動模型[11]。

本文在考慮末端自防御條件下，給出在瞄準線坐標系下求解天頂攻擊目標運動參數的方法。此時目標運動被分解為瞄準線徑向、側向(方向/俯仰)，即對掠海、俯沖或天頂攻擊目標運動的描述可不加區分，如比例導引、蛇形、俯沖等都作為側向機動考慮。

瞄準線坐標系是一個運動的非慣性坐標系，其坐標按跟蹤指向器法線方向來定位。這種坐標系在連續時間里和跟蹤指向器系統一起轉動，但在一個解算工作周期內與慣性系相對靜止，因而稱其為“步進”坐標系[12]。它已被廣泛應用于國外現代火控領域。其特點在于：

(1) 瞄準線坐標系坐標軸方向與跟蹤傳感器測量相互對應，各坐標量測值之間互不相關，克服了傳統在直角地理坐標系中進行強制分解，忽略其相關性帶來的精度損失。

(2) 在瞄準線坐標系中進行濾波，系統模型與物理過程相吻合，傳感器的原始測量信息能得到充分利用。

(3) 在瞄準線坐標系進行目標運動建模，可簡化某些特定模式的目標運動模型的描述，如側向機動。

4結束語

超聲速、超高聲速、高超聲速反艦導彈的發展，天頂攻擊或高角俯沖必然對近程防御系統提出新的挑戰。從前面分析來看，反天頂攻擊目標問題的解決是一個系統性的問題，涉及傳感器和火炮的安裝及其伺服系統的跟蹤、瞄準，火控模型算法等各方面。

當然，火炮基座傾斜安裝將使得火炮重心、后坐力等發生變化，對火炮伺服系統設計、供彈系統設計都會帶來較大影響。

參考文獻：

[1]Anti-Ship Missile[EB/OL].(2012-07-31)[2013-07-10]. http://en.wikipedia.org/wiki/ Anti-ship_missile.

[2]畢士冠. 國外超聲速巡航導彈發展戰略與技術途徑討論(下)[J]. 飛航導彈, 2007(2):1-3.

BI Shi-guan. Discuss the Development Strategy and Technological Approaches of Foreign Supersonic Cruise Missile(Final Volume)[J]. Winged Missles Journal, 2007(2):1-3.

[3]吳新宏. 日本大力發展新一代反艦武器—ASM-3空對艦導彈[J]. 現代艦船, 2011(1):42-45.

WU Xin-hong. Japan is Vigorously Developing a New Generation of Anti-Ship Weapons —ASM-3 Air to Ship Missle[J]. Modern Ships, 2011(1):42-45.

[4]范金榮. 制導炸彈發展綜述[J]. 現代防御技術, 2004, 32(3):27-28.

FAN Jin-rong. Review of the Development of the Guided Bomb[J]. Modern Defence Technology, 2004, 32(3):27-28.

[5]Garrett Kasper.Joint Direct Attack Munition (JDAM) [EB/OL]．(2012-01-31)[2013-07-10].http://www.boeing.com．

[6]《國外反導艦炮武器系統》編委會. 國外反導艦炮武器系統[M]. 北京: 國防工業出版社, 1995:13-25.

‘Foreign Anti Missile Shipborne Gun Weapon System’ Editorial Board. Foreign Anti Missile Shipborne Gun Weapon System[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1995:13-25.

[7]康酈, 陳濤. 歐美與俄羅斯CIWS系統比較[J]. 導航與雷達動態, 2003(2):34-39.

KANG Li, CHEN Tao. The Comparison of CIWS System of Europe and the United States and Russia[J]. Navigation and Radar, 2003(2):34-39.

[8]李浩源. 艦艇防御系統向何處去[J]. 現代軍事, 2003(6):32-34.

LI Hao-Yuan. Ship Defence System Where to Go[J]. Modern Military, 2003(6):32-34.

[9]王勇, 徐國亮, 王全勝．近程艦炮武器系統攔截高速目標發展研究[J]. 現代防御技術, 2013, 41(3):12-17.

WANG Yong, XU Guo-liang, WANG Quan-sheng. Development Study of A Future Close-in Shipborne Gun Weapon System Intercepting High-Supersonic Targets [J]. Modern Defence Technology, 2013, 41(3):12-17.

[10]楊宇剛. 艦載CIWS小口徑艦炮過天頂技術[J]. 船舶工程, 1991(3):36-41.

Yang Yu-gang. Shipborne CIWS Small Caliber Gun Over Zenith Technology[J]. Ship Engineering, 1991(3):36-41.

[11]張丕旭, 石章松, 劉忠. 一種基于彈道模型的機動目標跟蹤算法[J]. 彈箭與制導學報, 2009,29(4):55-57.

ZHANG Pi-xu, SHI Zhang-song, LIU Zhong. A Maneuvering Target Tracking Algorithm Based on Ballistic Model[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2009,29(4):55-57.

[12]戴自立, 譚慶海, 謝榮銘，等. 現代艦載作戰系統(下冊)[M]. 北京：兵器工業出版社, 1990:159.

DAI Zi-li, TAN Qing-hai, XIE Rong-Ming, et al. Modern Shipborne Combat System(Volume Two)[M]. Beijing:Weapon Industry Press, 1990:159.

Zenith Attack Target Countermeasures Based on Slant-Mounted Antimissile Shipborne Gun

XU Guo-liang, WANG Yong, WANG Hai-chuan

(Jiangsu Automation Research Institute,Jiangsu Lianyungang 222061, China)

Abstract:When a shipborne close-in gun weapon system operates against the target with zenith attack or with high-angle dive, it will meet some problems in system coverage, servo capability and tracking error. To solve those problems, the countermeasure of a slant-mounted shipborne gun is proposed to greatly reduce the requirements for the tracking servo capability and decrease the tracking angle error caused by rolling error. The coordinate’s transformation for the slant-mounted shipborne gun and the method of calculating the parameters of target motion are also proposed. Those means can be offered as some technical advices for the ship close-in defense system operating against the target with zenith attack or with high-angle dive.

Key words:high speed; zenith attack; antiship missiles

中圖分類號：TJ30;TJ761.1+4

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-01-0007-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.002

通信地址：222061江蘇省連云港市102信箱4分箱E-mail：XUGL716@163.com

作者簡介：徐國亮(1971-)，男，江西豐城人。研究員，碩士，研究方向為艦炮武器系統、火控系統。

基金項目：“十二五”國防預研項目

收稿日期：2013-07-10；
修回日期：2013-12-30